CN109637305A - 一种导热系数测量教具及其使用方法 - Google Patents

一种导热系数测量教具及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导热系数测量教具及其使用方法。本发明包括绝热热源箱体，绝热热源箱体顶部设有绝热冷源标准试件箱体和绝热冷源测试试件箱体；所述绝热冷源标准试件箱体中设有标准试件；所述绝热冷源测试试件箱体中设有测试试件；所述标准试件和测试试件的下部设于绝热热源箱体中。本发明的使用方法包括利用绝热热源箱体的水作为热源分别通过标准试件和测试试件向绝热冷源标准试件箱体和绝热冷源测试试件箱体中的冷源水传热，记录冷源水的温度，通过公式λx＝ΔTxλ0(δT0/δy)/ΔT0(δTx/δy)计算测试试件31的导热系数λx。本发明具有体积小、轻便、便于搬运的特点，可用于课堂教学或实验教学场景下直接展示导热系数的测量，并且导热系数估算方法具有简单的优点。

Description

一种导热系数测量教具及其使用方法
技术领域
本发明涉及导热系数教学领域，特别是一种导热系数测量教具及其使用方法。
背景技术
导热系数是传热学中的重要概念，广泛应用于汽车、建筑、节能环保等领域。不同材料具有不同的导热系数，实验测定的导热系数影响因素众多，造成导热系数的测量仪器越精确，越无法反应测量过程中导热系数的影响因素。目前，市面上采用的导热系数测量装置一般参照《GB/T10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性防护热板法》进行测定，采用防护热板法进行导热系数测定的设备一般以工业应用型设备为主，虽然精度较高，但用于教具，就会存在体积大、成本高、不易搬运、难以解释原理和分析导热系数影响因素等问题，这些问题的存在造成现有的设备很难在课堂教学环境下展示，且其计算原理复杂，不利于应用型人才的学习和思考。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种导热系数测量教具及其使用方法。其具有体积小、轻便、便于搬运的特点，可用于课堂教学或实验教学场景下直接展示导热系数的测量，并且用本教具的使用方法作为导热系数估算方法具有方法简单的优点。
本发明的技术方案：一种导热系数测量教具，包括绝热热源箱体，绝热热源箱体顶部设有绝热冷源标准试件箱体和绝热冷源测试试件箱体；所述绝热冷源标准试件箱体中设有标准试件；所述绝热冷源测试试件箱体中设有测试试件；所述标准试件和测试试件的下部设于绝热热源箱体中。
前述的导热系数测量教具中，所述绝热热源箱体中设有加热器。
前述的导热系数测量教具中，所述绝热冷源标准试件箱体中设有第一温度计；所述绝热冷源测试试件箱体中设有第二温度计。
前述的导热系数测量教具中，所述第一温度计和第二温度计的量程包括-5℃～100℃。
前述的导热系数测量教具中，所述绝热热源箱体上设有排水口和进水口；绝热冷源标准试件箱体上设置有第一注水口；绝热冷源测试试件箱体上设置有第二注水口。
前述的导热系数测量教具中，所述排水口、进水口、第一注水口和第二注水口均设有绝热盖。
前述的导热系数测量教具中，所述绝热冷源标准试件箱体中设有第一内螺纹绝热弹性套和第一绝热弹性垫圈；所述绝热冷源测试试件箱体中设有第二内螺纹绝热弹性套和第二绝热弹性垫圈。
一种导热系数测量教具的使用方法，该方法包括下述步骤：利用绝热热源箱体1的水作为热源分别通过标准试件21和测试试件31向绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3中的冷源水传热，然后记录冷源水的温度，分别计算绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3中各自水温的终始差值ΔTo和ΔTx，以及计算绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3的水温变化率的平均值δT0/δy和δTx/δy，查表得到标准试件21的导热系数λ0后，代入公式计算得到测试试件31的导热系数λx。
前述的导热系数测量教具的使用方法中，所述记录冷源水的温度是每20-40秒记录一次，至少记录3次；至多记录到任一冷源水的温度不再上升时，停止记录。
前述的导热系数测量教具的使用方法中，所述公式为：λx＝ΔTxλ0(δT0/δy)/ΔT0(δTx/δy)。
本发明的有益效果：与现有技术相比，使用本发明教具时，试件从绝热热源箱体内热水所吸收的热量传递给绝热冷源箱体冷水，冷水温度的变化通过温度计显示，其温差为△T，此过程传递的热量Q为Q＝cmΔT，其中c为水的比热容，m为绝热冷源箱体内水的质量，ΔT为温度计显示的温差，忽略此过程少量热量损失的情况下，试件在此过程中的热量变化为Q＝Aλ(δt/δy),式中A为试件的横截面积，为试件的导热系数，δt/δy为试件中沿竖直方向的温度变化率，由于绝热冷源标准试件箱体和绝热冷源测试试件箱体结构相同，标准试件与测试试件尺寸相同，箱体内的介质均为水，故而标准试件与测试试件的A、δy相同。令标准试件的标号记为0，测试试件的标号记为x，对于标准试件：Q0＝cmΔT0＝Aλ0(δT0/δy)，对于测试试件：Qx＝cmΔTx＝Aλx(δTx/δy)，两式相除并整理可得测试试件导热系数的估算方法：λx＝ΔTxλ0(δT0/δy)/ΔT0(δTx/δy)，本方法简单便于实施与教学。本发明采用水作为介质，通过设置进水口和排水口来控制水的进出，大大减轻了设备的重量，使之轻便、易携带，且测试试件不与水发生化学反应，实验后的水可以直接排放，对环境无污染；整套装备由箱体、温度计、试件等构成，无复杂元件，制造成本低廉；导热系数的估算仅需记录温度计的读数，操作简单，计算便捷；并且提供的一种新型的导热系数的简便计算方法，估算结果存在一定误差，但足够作为教具进行教学，并有利于学生进一步思考影响导热系数的因素，培养学生动手及深入思考的能力。
附图说明
图1是导热系数测量教具的结构示意图；
图2是导热系数测量教具的俯视图；
图3是导热系数测量教具A-A剖面的正视图；
图4是导热系数测量教具绝热弹性垫圈B-B局部放大正视图；
图5是导热系数测量教具绝热弹性垫圈B-B局部放大水平剖面图；
图6是导热系数测量教具内螺纹绝热弹性套结构示意图。
附图中的标记为：1-绝热热源箱体，2-绝热冷源标准试件箱体，3-绝热冷源测试试件箱体，11-加热器，12-排水口，13-进水口，21-标准试件，22-第一温度计孔，23-第一温度计，24-第一内螺纹绝热弹性套，241-第一内螺纹绝热弹性套的外螺纹，242-第一内螺纹绝热弹性套的内螺纹，25-第一注水口，26-第一绝热弹性垫圈，31-测试试件，32-第二温度计孔，33-第二温度计，34-第二内螺纹绝热弹性套，35-第二注水口，36-第二绝热弹性垫圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据，对于未特别注明的结构或工艺，均为本领域的常规现有技术。
实施例。一种导热系数测量教具及其导热系数估算方法，构成如图1-6，所示，包括绝热热源箱体1，绝热热源箱体1顶部设有绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3；所述绝热冷源标准试件箱体2中设有标准试件21；所述绝热冷源测试试件箱体3中设有测试试件31；所述标准试件21和测试试件31的下部设于绝热热源箱体1中。其中绝热热源箱体1优选为正方体或长方体型；绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3优选为圆柱型。
所述绝热热源箱体1中设有加热器11。加热器11优选为电阻加热器。
所述绝热冷源标准试件箱体2中设有第一温度计23；所述绝热冷源测试试件箱体3中设有第二温度计33。所述第一温度计23和第二温度计33分别设于第一温度计孔22和第二温度计孔32中。优选的第一温度计23和第二温度计33的精度不低于1℃，便于读数。
所述第一温度计23和第二温度计33的量程包括-5℃～100℃。优选的在保证温度计的测温部分完全浸入各自箱体的条件下，温度计的测温量程中至少50℃以上部分应外露在各自箱体外。
所述绝热热源箱体1上设有排水口12和进水口13；绝热冷源标准试件箱体2上设置有第一注水口25；绝热冷源测试试件箱体3上设置有第二注水口35。排水口、进水口和注水口是用于加水或排水。
所述排水口12、进水口13、第一注水口25和第二注水口35均设有绝热盖。绝热盖与器壁通过螺纹连接，绝热盖通过螺纹可拆卸。
所述绝热冷源标准试件箱体2中设有第一内螺纹绝热弹性套24和第一绝热弹性垫圈26；所述绝热冷源测试试件箱体3中设有第二内螺纹绝热弹性套34和第二绝热弹性垫圈36。绝热设计可减少热量损失，提高测试精度。因为设置关系，所以具体的标准试件21和测试试件31需要分别穿过绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3，才能将二试件的下部设于设于绝热热源箱体1中。所以具体第一内螺纹绝热弹性套24设置在绝热冷源标准试件箱体2安装标准试件21的孔的外沿处；第一绝热弹性垫圈26设置在绝热热源箱体1安装标准试件21的孔的外沿处。同理可知第二内螺纹绝热弹性套34和第二绝热弹性垫圈36的设置位置。优选的标准试件21和测试试件31的一端设置螺纹与第一内螺纹绝热弹性套24和第二内螺纹绝热弹性套34匹配。
所述绝热热源箱体1、绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3由绝热材料制成，并优选为箱体透明的结构，减少热量损失并便于观察。这里的绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3均为绝热冷源箱体。
所述绝热热源箱体1、绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3的箱体壁厚均大于5mm。这样的设置也是为了较少热量的损失。而本测量教具的大小可优选为绝热热源箱体1、绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3的高度相同，均为h；绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3的直径为绝热热源箱体1的短边长度的0.35-0.45倍；标准试件21和测试试件31的高度为0.9(n+2h)，其中n为单一绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3和绝热热源箱体1竖直方向壁厚之和，h为绝热热源箱体1的高度；标准试件21和测试试件31的之间与内螺纹绝热弹性套的内径先沟通，均为d，且d小于30％的绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3直径，同时大于5％的第一绝热弹性垫圈26的内径；所述第一绝热弹性垫圈26的内径为0.95d，外径为1.1d，其弹性变形量不低于0.05d；所述第一温度计孔22和第二温度计孔32的直径与第一温度计23和第二温度计33的直径相同，其数值不大于单一绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3直径的5％；第一内螺纹绝热弹性套24的高度与绝热冷源箱体绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3上壁面高度相同；所述第一注水口25、第二注水口35直径为2倍的试件标准试件21和测试试件31的直径。
本导热系数测量教具的使用方法，包括如下步骤：利用绝热热源箱体1的水作为热源分别通过标准试件21和测试试件31向绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3中的冷源水传热，然后记录冷源水的温度，记录冷源水的温度是每20-40秒记录一次，至少记录3次；至多记录到任一冷源水的温度不再上升时，停止记录实验数据，温度不再上升可通过两温度计直接看出，最后用所记录的温度和公式即可计算测试试件31的导热系数，公式为：λx＝ΔTxλ0(δT0/δy)/ΔT0(δTx/δy)。
使用本教具的具体步骤大致为：分别利用进水口13、第一注水口25和第二注水口35向绝热热源箱体1、在绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3中注入常温水，加水量大致为箱体的90％左右即可，然后启动加热器11将绝热热源箱体1中的水加热至沸腾，关闭加热器11，这时的标准试件21和测试试件31的下部位于热水中，会向绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3中的水(作为冷源水)传热，忽略热量损失，定时记录二者内部的水温，水温通过温度计即可读出，根据记录的数据通过公式λx＝ΔTxλ0(δT0/δy)/ΔT0(δTx/δy)计算测试试件31的导热系数λx即可，最后可将各自箱体中的水排出。其中ΔTx和ΔT0分别为绝热冷源测试试件箱体3和绝热冷源标准试件箱体2的各自水温的终始差值,终始差值指记录的最后一个温度值减记录的第一个温度值；λ0为标准试件21的导热系数，查表获得；δT0/δy、δTx/δy分别为绝热冷源标准试件箱体2和绝热冷源测试试件箱体3的水温变化率的平均值。

Claims (10)

1.一种导热系数测量教具，其特征在于：包括绝热热源箱体(1)，绝热热源箱体(1)顶部设有绝热冷源标准试件箱体(2)和绝热冷源测试试件箱体(3)；所述绝热冷源标准试件箱体(2)中设有标准试件(21)；所述绝热冷源测试试件箱体(3)中设有测试试件(31)；所述标准试件(21)和测试试件(31)的下部设于绝热热源箱体(1)中。
2.根据权利要求1所述的导热系数测量教具，其特征在于：所述绝热热源箱体(1)中设有加热器(11)。
3.根据权利要求1所述的导热系数测量教具，其特征在于：所述绝热冷源标准试件箱体(2)中设有第一温度计(23)；所述绝热冷源测试试件箱体(3)中设有第二温度计(33)。
4.根据权利要求3所述的导热系数测量教具，其特征在于：所述第一温度计(23)和第二温度计(33)的量程包括-5℃～100℃。
5.根据权利要求1所述的导热系数测量教具，其特征在于：所述绝热热源箱体(1)上设有排水口(12)和进水口(13)；所述绝热冷源标准试件箱体(2)上设置有第一注水口(25)；所述绝热冷源测试试件箱体(3)上设置有第二注水口(35)。
6.根据权利要求5所述的导热系数测量教具，其特征在于：所述排水口(12)、进水口(13)、第一注水口(25)和第二注水口(35)均设有绝热盖。
7.根据权利要求1所述的导热系数测量教具，其特征在于：所述绝热冷源标准试件箱体(2)中设有第一内螺纹绝热弹性套(24)和第一绝热弹性垫圈(26)；所述绝热冷源测试试件箱体(3)中设有第二内螺纹绝热弹性套(34)和第二绝热弹性垫圈(36)。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的导热系数测量教具的使用方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：利用绝热热源箱体(1)的水作为热源分别通过标准试件(21)和测试试件(31)向绝热冷源标准试件箱体(2)和绝热冷源测试试件箱体(3)中的冷源水传热，然后记录冷源水的温度，分别计算绝热冷源标准试件箱体(2)和绝热冷源测试试件箱体(3)中各自水温的终始差值ΔT0和ΔTx，以及计算绝热冷源标准试件箱体(2)和绝热冷源测试试件箱体(3)的水温变化率的平均值δT0/δy和δTx/δy，查表得到标准试件(21)的导热系数λ0后，代入公式计算得到测试试件(31)的导热系数λx。
9.根据权利要求8所述的导热系数测量教具的使用方法，其特征在于：所述记录冷源水的温度是每20-40秒记录一次，至少记录3次；至多记录到任一冷源水的温度不再上升时，停止记录。
10.根据权利要求8所述的导热系数测量教具的使用方法，其特征在于：所述公式为：λx＝ΔTxλ0(δT0/δy)/ΔT0(δTx/δy)。
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